A maneira mais econômica de controlar motores - conversor de frequência

Na indústria, mais de 60% da eletricidade é consumida por acionamentos elétricos assíncronos - em bombeamento, compressor, ventilação e outras instalações. Este é o tipo de motor mais simples e, portanto, barato e confiável.

O processo tecnológico de várias indústrias da indústria exige uma mudança flexível na velocidade de rotação de qualquer atuador. Devido ao rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica e informática, bem como ao desejo de reduzir as perdas de energia, surgiram dispositivos para o controle econômico de vários tipos de motores elétricos. Neste artigo, falaremos apenas sobre como garantir o controle mais eficiente do acionamento elétrico. Trabalhando na empresa First Engineer (grupo LANIT ), vejo que nossos clientes estão prestando cada vez mais atenção à eficiência energética


A maior parte da energia elétrica consumida pelas instalações tecnológicas e de produção é usada para realizar qualquer tipo de trabalho mecânico. Para movimentar os corpos de trabalho de vários mecanismos tecnológicos e de produção, motores elétricos assíncronos com rotor de gaiola de esquilo são usados ​​principalmente (no futuro, falaremos sobre esse tipo de motor elétrico). O próprio motor elétrico, seu sistema de controle e dispositivo mecânico que transmite o movimento do eixo do motor para o mecanismo de produção formam um sistema de acionamento elétrico.


A presença de perdas mínimas de energia nos enrolamentos devido à regulação da velocidade do motor, a possibilidade de um arranque suave devido a um aumento uniforme de frequência e tensão são os principais princípios do controle efetivo de motores elétricos.

Afinal, existiam anteriormente e ainda existem métodos de controle de mecanismo como:

• regulação de freqüência reostática através da introdução de resistências ativas adicionais no circuito dos enrolamentos do motor em curto-circuito sequencial pelos contatores;
• a mudança de tensão nos grampos do estator, enquanto a frequência dessa tensão é constante e igual à frequência da rede CA industrial;
• regulação da etapa alterando o número de pares de pólos do enrolamento do estator.

Mas esses e outros métodos de regulação de frequência carregam com eles a principal desvantagem - perdas significativas de energia elétrica e regulação passo a passo, por definição, não são flexíveis.

Perdas são inevitáveis?

Vamos nos debruçar com mais detalhes sobre as perdas elétricas que ocorrem em um motor de indução.

A operação de um acionamento elétrico é caracterizada por várias quantidades elétricas e mecânicas.

As quantidades elétricas incluem:

• tensão de rede
• corrente do motor
• fluxo magnético
• força eletromotriz (EMF).

As principais quantidades mecânicas são:

• velocidade de rotação n (r / min),
• o momento de rotação M (N • m) do motor,
• potência mecânica do motor elétrico P (W), determinada pelo produto do momento e velocidade: P = (M • n) / (9,55).

Além da velocidade de rotação n, outro valor conhecido da física é usado para denotar a velocidade do movimento de rotação - a velocidade angular ω, que é expressa em radianos por segundo (rad / s). Entre a velocidade angular ω e a velocidade rotacional n, existe a seguinte relação:

$$

$$ω = \ frac {(2 * π * n)} {60} = \ frac {n} {(9,55)}$$

levando em consideração que a fórmula assume a forma:

$$

$$P = M * ω (2)$$

A dependência do torque do motor M na velocidade de rotação do rotor n é chamada de característica mecânica do motor elétrico. Observe que durante a operação de uma máquina assíncrona, a chamada energia eletromagnética é transmitida do estator ao rotor através do espaço de ar usando um campo eletromagnético:

$$

$$P_ {em} = M * ω_0$$

Parte dessa potência é transmitida ao eixo do rotor na forma de potência mecânica, de acordo com a expressão (2), e o restante é alocado na forma de perdas nas resistências ativas das três fases da corrente do rotor.

Essas perdas, chamadas de elétricas, são iguais a:

$$

$$∆_ {el} = 3 * I ^ 2 * r$$

Assim, as perdas elétricas são determinadas pelo quadrado da corrente que passa pelos enrolamentos.

Eles são fortemente determinados pela carga do motor de indução. Todos os outros tipos de perdas, exceto as elétricas, mudam com a carga de maneira menos significativa.

Portanto, consideraremos como as perdas elétricas de um motor de indução mudam ao controlar a velocidade.

Perdas elétricas diretamente no enrolamento do rotor do motor elétrico são geradas na forma de calor dentro da máquina e, portanto, determinam seu aquecimento. Obviamente, quanto maiores as perdas elétricas no circuito do rotor, menor a eficiência do motor, menos econômica é sua operação.

Considerando que as perdas no estator são aproximadamente proporcionais às perdas no rotor, o desejo de reduzir as perdas elétricas no rotor é ainda mais claro. Esse método de controle da velocidade do motor é econômico, no qual as perdas elétricas no rotor são relativamente pequenas.

A partir da análise das expressões, segue-se que a maneira mais econômica de controlar os motores é a velocidade do rotor próxima à síncrona.

Drives de frequência variável

No dia-a-dia de várias indústrias que usam bombeamento, equipamentos de ventilação, sistemas de transporte, instalações de geração (TPPs, usinas distritais estaduais etc.), etc., estão incluídas instalações como inversores de frequência (VFDs), também chamados de conversores de frequência (IF). ) Essas configurações permitem alterar a frequência e a amplitude da tensão trifásica fornecida ao motor elétrico, devido à qual é obtida uma alteração flexível nos modos de operação dos mecanismos de controle.

Inversor de frequência variável de alta tensão

VFD construtivo

Aqui está uma breve descrição dos conversores de frequência existentes.

Estruturalmente, o conversor consiste em blocos funcionalmente conectados: bloco do transformador de entrada (gabinete do transformador); um inversor multinível (gabinete do inversor) e um sistema de controle e proteção com uma unidade de entrada e exibição de informações (gabinete de controle e proteção).

No gabinete do transformador de entrada, a energia é transferida da fonte de alimentação trifásica para o transformador de múltiplos enrolamentos de entrada, que distribui a tensão reduzida ao inversor de vários níveis.

Um inversor multinível consiste em células unificadas - conversores. O número de células é determinado por uma construção e fabricante específicos. Cada célula é equipada com um retificador e um filtro de link CC com um inversor de tensão de ponte nos transistores IGBT modernos (transistor bipolar com porta isolada). Inicialmente, a corrente alternada de entrada é retificada e, em seguida, usando um inversor semicondutor, é convertida em corrente alternada com uma frequência e tensão ajustáveis.

As fontes obtidas de tensão alternada controlada são conectadas em série aos elos, formando uma fase de tensão. A construção de um sistema de alimentação trifásica de saída de um motor de indução é realizada ligando os elos de acordo com o esquema STAR.

O sistema de controle de proteção está localizado no gabinete de controle e proteção e é representado por uma unidade de microprocessador multifuncional com um sistema de fonte de alimentação da própria fonte auxiliar do conversor, um dispositivo de entrada e saída de informações e sensores primários dos modos de operação elétrica do conversor.

Potencial de economia: contando juntos

Com base nos dados fornecidos pela Mitsubishi Electric, avaliaremos o potencial de economia de energia ao introduzir conversores de frequência.

Primeiro, vamos ver como a potência muda em diferentes modos de regulação do motor:


E agora damos um exemplo de cálculo.

Eficiência motora: 96,5% ;
Eficiência do conversor de frequência: 97% ;
Ligue o eixo do ventilador com um volume nominal: 1100 kW ;
Característica do ventilador: H = 1,4 p.u. em Q = 0 ;
Período integral do ano: 8000 horas

Modos de operação do ventilador de acordo com o cronograma:


A partir do gráfico, obtemos os seguintes dados:

100% de consumo de ar - 20% do tempo de operação por ano;
70% do consumo de ar - 50% do tempo de operação por ano;
50% do consumo de ar - 30% do tempo de operação por ano.


As economias entre o trabalho sob carga nominal e o trabalho com a capacidade de controlar a velocidade do motor (trabalho em conjunto com o VFD) são iguais a:

7.446.400 kWh / ano - 3.846.400 kWh / ano = 3.600.000 kWh / ano

Levamos em conta a tarifa de eletricidade igual a - 1 kWh / 5,5 rublos. Vale ressaltar que o custo é calculado de acordo com a primeira categoria de preço e o valor médio para uma das empresas industriais do Território de Primorsky em 2019.

Obtemos a economia em termos monetários:

3 600 000 kW * h / ano * 5,5 rublos / kW * h = 19 800 000 rublos / ano

A prática de implementar tais projetos permite levar em consideração o período de retorno de 3 anos, levando em consideração os custos de operação e reparos, bem como o custo dos próprios conversores de frequência.

Como mostram os números, não há dúvida na viabilidade econômica da implementação do VFD. No entanto, o efeito de sua implementação não se limita a uma economia. Os VFDs ligam suavemente o motor, reduzindo significativamente seu desgaste, mas falarei sobre isso na próxima vez.